机械加工质量分析与控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械加工精度,机械加工质量分析与控制,产品质量是企业的生命线,按现代质量观它包括,设计质量、制造质量和服务质量,零件制造质量是保证产品质量的基础,一、,加工精度的基本概念,加工质量指标分,加工精度,和,加工表面质量,加工精度,指零件加工后实际几何参数,(,尺寸、形状和位,置,),与理想几何参数相符的程度。符合程度愈高，加工精,度愈高。实际值与理想值之差称为加工误差。,零件的加工精度包括,尺寸精度、形状精度、位置精度,通常尺寸精度要,求高,形,位精度要求也越高,常用加工误差的大小来评价加工精度的高低,加工误差越小，加工精度越高,获得加工精度的方法,（,1,）获得尺寸精度的方法,1,）试切法 用于单件小批生产,2,）调整法 用于成批大量生产,3,）定尺寸刀具法 生产率高，刀具制造复杂,4,）自动控制法 切削测量补偿调整,（,2,）获得形状精度的方法,1,）轨迹法 利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状,2,）成形刀具法 由刀刃的形状形成工件表面形状,3,）展成法 由切削刃包络面形成工件表面形状,（,3,）获得相互位置精度的方法,主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证,二、影响加工精度的因素,1.,原始误差,零件加工的误差是由于工件与刀具在切削过程,中相互位置发生变动而造成。工件和刀具安装在,夹具和机床上，工件、刀具、夹具、机床构成了,一个完整的工艺系统。工艺系统的种种误差，是,造成零件加工误差的根源，故称之为,原始误差,。,原始误差,加工前误差,加工中误差,加工后误差,调整误差,机床误差,刀具制造误差,夹具误差,加工原理误差,工件装夹误差,工艺系统受力变形,刀具磨损,残余应力引起变形,测量误差,工艺系统热变形,.,工艺系统的几何误差,（,1,）加工原理误差,近似的成形运动或刃形所产生的误差，多为形状误差,（,2,）机床的误差,1,）主轴回转误差, 主轴回转误差概念,主轴回转时实际回转轴线与理想回转轴线的偏移量,三种基本形式：,a.,纯径向跳动,b.,轴向窜动,c.,纯角度摆动, 影响主轴回转精度的主要因素,轴承本身误差、轴承间隙、轴承间同轴度误差，各段轴,颈、轴孔的同轴度误差主轴系统的刚度和热变形等。,但它们对主轴回转精度的影响大小随加工方式而不同,主轴采用滑动轴承的车床类，主轴受力方向一定，,主轴颈,圆度误差影响较大，轴承内径圆度误差没影响,镗床主轴受力随镗刀旋转方向不断变化,轴承孔,误差影响大,滚动轴承结构复杂，影响主轴精度因素也较复杂,除轴承本身精度外，与配合件精度有很大关系如主轴轴,颈、支承座孔等精度,产生,轴向窜动主要原因,是主轴轴肩端面和轴承承载端面,对主轴回转轴线有垂直度误差。,主轴,不同形式的,回转误差引起的加工误差不同,车床上加工外圆内孔时，,主轴径向跳动,引起工件圆度和,圆柱度误差，对工件端面无影响；,轴向窜动,对圆柱表面影响不大，对端面垂直度平面度影,响大，车削螺纹时会造成导程的周期性误差；,纯角度摆动,会造成车削外圆或内孔的锥度误差；,在镗孔,时，会镗出的孔为椭圆形,。,纯角度摆动,会造成车削外圆或内孔的锥度误差；在镗孔,时，若工件进给会使镗出的孔为椭圆形。,提高主轴及支承座孔的加工精度，选用高精度轴承，提高,主轴部件装配精度、预紧和平衡等，提高主轴回转精度。,2,）机床导轨误差,导轨精度要求主要有以下三方面：, 在水平面内的直线度,（以卧式车床为例）,1,将直接反映在工件加工表面法线方向（误差敏感方向）,上，误差,R,=,1,，对加工精度影响最大。,刀尖在水平面内的运动轨迹造成工件轴向形状误差。,在垂直面内的直线度,对工件的尺寸和形状误差影响比,1,小得多,对卧式车床,R,2,2,/,D,若设,2,=,0.1,mm,D,=40,mm,，,则,R,=0.00025,mm,，影响可忽略不计。 而对平面磨床、龙,门刨床误差将直接反映在工件上。,导轨在垂直面内的直线度的特殊情况为斜坡状，,加工的工件轴向形状为鞍形。,前后导轨的平行度（扭曲）,卧式车床或外圆磨床若前后导轨存在平行度误差时，,刀具和工件之间相对位置发生变化，刀尖运动轨迹是一,条空间曲线，使工件产生形状误差。,若扭曲误差为,3,工件误差,R,(,H,/,B,),3,，一般车床,H,/,B,2/3,，外圆磨床,H,/,B,1,，误差对加工精度影响很大,除导轨制造误差外，导轨的不均匀磨损和安装质量，也,是造成导轨误差的重要因素。导轨磨损是机床精度下降,的主要原因之一。可采用耐磨合金铸铁、镶钢导轨、贴,塑导轨、滚动导轨导轨表面淬火等措施。,）机床传动链误差,指机床内传动链始末两端的传动元件间相对运动的误差，,一般用传动链末端元件的转角误差来衡量。产生的原因,是传动链中各传动元件的制造误差、装配误差及磨损等。,若传动齿轮,i,在某一时刻产生转角误差为,i,，则它所,造成传动链末端元件的转角误差：,wi,=K,i,i,K,i,为该轴到末端元件的总传动比，称为误差传递系数，,若,K,i,大于,1,则误差被扩大；反之，若,K,i,小于,1,误差被缩小。,各传动件对工件精度影响的总和为：,=,wi,=,K,i,i,减少传动链误差的措施：,尽可能缩短传动链，减少传动元件数目；, 尽量,采用降速传动，误差被缩小；,提高传动元件、特别是末端元件的制造和,装配精度；,消除传动间隙；,采用误差补偿机构或自动补偿装置。,（,3,）刀具的几何误差,包括刀具切削部、装夹部的制造误差及刀具安装误差,定尺寸刀具,刀具尺寸精度直接影响工件尺寸精度, 成形刀具,刀具形状精度直接影响工件形状精度, 展成刀具,刀刃形状精度会影响工件加工精度, 一般刀具,制造精度对工件加工精度无直接影响,（,4,）夹具的几何误差,包括夹具制造误差、安装误差及磨损,对工件尺寸精度和位置精度影响很大,（,5,）定位误差,包括基准不重合误差、定位副制造不准确误差,直接影响工件的尺寸精度和位置精度,（,6,）调整误差,在工序,的调整工作中所存在的误差即调整误差,一次调整后存在的误差对这一批零件的影响是不变的。,但,大批量加工中存在多次调,整，不可能每次完全相同。,对全部零件来说，每次调整,误差为偶然性误差。机床调,整误差可理解为零件尺寸分,布曲线中心的最大偏移量。,加工中不产生废品的,条件：,fb,+,t,T,3.,工艺系统的受力变形,（,1,）基本概念,（,2,）零件刚度,若零件刚度相对于机床、刀具、夹具来说比较低，其变形,对加工精度影响比较大，最大变形量按材料力学公式估算。,长轴两顶尖装夹按简支梁计算，三爪卡盘装夹按悬臂梁计算,（,1,）工艺系统刚度,工艺系统抵抗变形的能力可用工艺系统刚度,k,系,来描述。,垂直作用于工件加工表面的径向切削分力,F,y,与工艺系统在,该方向上的变形,y,之间的比值，称为工艺系统刚度,k,系,k,系,= F,y,/ y,柔度,w=,1/,k,（,3,）刀具刚度,外圆刀具在加工表面法线方向上的刚度很大变形可忽略；,镗小孔刀杆刚度很差，变形对加工精度影响很大，刀杆变,形按材料力学公式估算。,（,4,）机床部件刚度,机床部件刚度,机床结构形状复杂，刚度计算主要通过实验方法来测定。,变形与载荷不成线性关系； 加载与卸载曲线不重合；,有残余变形存在；实际刚度比估算的小,（,5,）工艺系统受力变形及其对加工精度的影响,1,）工艺系统的变形,总变形,y,系,=,y,机,+ y,夹,+ y,刀,+ y,工,k,系,= F,y,/ y,系,，,k,机,= F,y,/ y,机,，,k,夹,= F,y,/ y,夹,，,k,刀,= F,y,/ y,刀,，,k,工,= F,y,/ y,工,所以，,k,系,=,1/(1/,k,机,+,1/,k,夹,+,1/,k,刀,+,1/,k,工,),工艺系统刚度比刚度最小环节的刚度还要差,2,）工艺系统受力变形对加工精度的影响,切削力位置的变化对加工精度的影响,设刀具工件刚度很大,总变形,y,系,= y,刀架,+ y,x,设刀具工件刚度很大,总变形,y,系,= y,刀架,+ y,x,y,主,=F,A,/k,主,=,F,y,(,l,-,x,),/,(,l k,主,),，,y,尾,=F,B,/k,尾,=,F,y,x,/,(,l k,尾,),y,系,= y,刀架,+ y,x,=,F,y,当,x,= 0,时，,y,系,=,？,;,当,x,=,l,时，,y,系,=,？,当,x,=,k,尾,l,/(,k,主,+,k,尾,),时，,y,系,min,=,F,y,l,y,尾,-,y,主,x,y,x,-,y,主,=,y,x,=,y,尾,x,l,l-x,l,+,y,主,1,k,刀架,+,1,k,主,1,k,尾,x,l,2,l-x,l,2,+,若工件刚性较差应考虑其变形，按简支梁计算,y,工,= y,系,= y,刀架,+y,x,+y,工,F,y,3,EI,(,l-x,),2,x,2,l,1,k,刀架,+,1,k,主,+,k,尾,讨论：,1.,在,x,处工件半径,R,x,=R+,y,刀架,+y,x,+y,工,半径误差,R= R,x,-R=,y,刀架,+y,x,+y,工,=,y,系,2.,一次走刀中若,y,系,为常量，不会造成工件形状,误差和尺寸不一,3.,若工件刚性大,l,/,D,5,，可不考虑,y,工,，,y,系,是,x,的二次函数,圆柱度误差,=,y,max,-,y,min,4.,若工件为细长轴刚性很差，系统变形主要是工,件变形，当,x,=,l,/2,时，,y,工,max,=,F,y,l,3,/,(48,EI,), 切削力大小变化对加工精度的影响,毛,=,a,p1,a,p2,工,=,y,1,y,2,误差复映系数,=,工,/,毛,F,y,=C,y,f,y,a,p,x,HBS,n,=C,a,p,x,C,a,p,F,y,1,= C,(,a,p,1,y,1,),C,a,p,1,F,y,2,= C,(,a,p,2,y,2,),C,a,p,2,工,=,y,1,y,2,=(,F,y,1,-,F,y,2,)/,k,系,= (,C,a,p,1,C,a,p,2,),/,k,系,=,工,/,毛,=,C,(,a,p,1,a,p,2,),/(,k,系,(,a,p1,a,p2,)=,C,/,k,系,=,工,/,毛,=,C,/,k,系,总是小于,1,，有修正误差的能力,多次进给,=,1,2,3,2.,k,系,越大，,就越小，复映到工件上的误差越小,3.,C,减小，,就越小，应采取减小,F,y,的措施,讨论：, 夹紧变形对加工精度的影响,工件刚性差（薄件、圆环）装夹不当会产生受力变形,机床部件、工件重量对加工精度的影响,其它作用力,对加工精度的影响,传动力（拨杆）、离心力改变方向会使工艺系,统产生相应变形,3,）减少工艺系统受力变形的途径, 减小切削力及其变化；, 提高系统中零件的配合质量；,缩短切削力作用点和支撑点的距离，设置辅,助支承提高部件刚度,4.,工艺系统的热变形,工艺系统在各种热源的影响下会产生很复杂的变形，,导致工件产生加工误差,（,1,）工艺系统的热源,1,）内部热源,包括,切削热、摩擦热和派生热源,2,）外部热源,包括,环境温度、辐射热,（,2,）工件热变形对加工精度的影响,1,）工件均匀受热,车镗轴套类零件圆柱面，长度及径向受热变形。,若在受热时测量达到规定尺寸，冷却后尺寸变小，,可能出现尺寸超差。,2,）工件不均匀受热,铣、刨、磨平面等，工件单面受热产生弯曲变形,磨削细长轴时工件温生逐渐增加,（,3,）刀具热变形对加工精度的影响,主要是主轴部件、床身导轨及两者相对位置的热变形,（,4,）机床热变形对加工精度的影响,（,5,）热变形的控制,（,1,）减少发热和采取隔热；,（,2,）强制冷却，均衡温度场；,（,3,）从结构上采取措施减少热变形；,（,4,）控制环境温度。,5.,工件内应力引起的变形,内应力产生的原因及消除措施,1,、铸锻焊、热处理等因工件壁厚不均热胀冷缩不均及,金相组织变化等导致体积变化，毛坯产生内应力，,处于暂时平衡状态，切削时平衡状态被打破。,2,、冷校直产生的内应力,可在热处理后进行时效,处理来消除残余应力。,常用人工时效、振动时,效和天然时效等方法。,工件若产生内应力处于不稳定状态会逐渐变形,三、加工误差的统计分析,1.,（,1,）加工误差的分类,1,）系统误差,常值系统误差：,原理机床刀夹量具制造调整误差,变值系统误差：,机床刀具热变形、刀具磨损,2,）随机误差,:,误差复映定位夹紧操作误差内应力变形,对系统误差可循其规律加以调整或补偿来消除,对随机误差只能缩小其变动范围无法完全消除,（,2,）正态分布,1,）正态分布的数学模型、特征参数和特殊点,正态分布曲线方程,两个特征参数： 算术平均值,x,和标准偏差,正态分布的特殊点, 处概率密度,函数有最大值,x= x,处,为拐点,2,） 标准正态分布,=,0,，,=,1,实际生产中为非标准,正态分布需转换,令,z,=(,x-,)/,x,x,x,即图中阴影面积,可利用概率密度,积分表计算,3,） 工件尺寸在某区间内的概率,工件尺寸落在,3,范围内的概,率为,99.73%,若尺寸分布中心与,公差中心重合，不,产生废品的条件是：,T,6,Q,废,= 0.5 ,(,x,),若中心不重合存在常值系统误差,系,，,T,6,系,x,例：,轴,20,-0.1,，,= 0.025,，,x,T,= -(0.03),求常值系统误差、随机误差，合格率、不合格率,x,0,解：, 公差带中心,x,T,= 19.95,尺寸分布中心,=,x,T,+= 19.95 +0.03 = 19.98,常值系统误差,系,= -,x,T,= 0.03,随机误差,6,=,6,0.025 = 0. 15,或,3=0.075,x,x, 计算合格率、不合格率,6= 0. 15,T,= 0.1,，,C,p,=,T,/6= 0.1/0. 15 =0.67,工件极限尺寸,x,min,=,x,A,= 19.9,，,x,max,=,x,B,= 20,z,A,=( -,x,A,)/= (19.98 -19.9)/0.025=3.2,(,z,A,)= 0.49931,z,B,=(,x,B,- )/= (20 -19.98)/0.025 =0.8,(,z,B,)= 0.2881,合格率,=,(,z,A,)+,(,z,B,)= 0.49931+0.2881=0.78741=78.741%,废品率,0.5-0.49931=0.069%,0.5-0.2881=21.19%,可修复,x,x,2.,工艺过程的分布图分析,（,1,）工艺过程的稳定性,指均值和标准差稳定不变的性能，取决于变值系统误差,（,2,）工艺过程分布图分析,制作分布图了解质量指标分布、加工能力、是否有废品,1,）样本容量的确定,通常取,n,=50,200,2,）样本数据整理与计算,剔除异常数据，确定尺寸分散范围,R,、尺寸间隔数,j,、,区间宽度,x,3,）绘制实际分布图,纵坐标为频数：同间隔尺寸工件数目,4,）绘制理论分布图,纵坐标将概率密度转换成频数，分散范围,3,理论最大频数,f,max,=y,max,n,x,对应,x,=,处,拐点处频数,f,= y,n,x,对应,x,= ,处,x,x,5,）工艺过程分布图分析, 判断加工误差性质,系统误差、随机误差, 确定工序能力及等级,工序能力系数,C,p,指满足加工精度的程度,C,p,=,T,/6,确定不合格率,（,2,）分布图分析法特点,1,）采用大样本，较接近实际地反映工艺过程总体；,2,）能将常值系统误差从误差中区分开；,3,）在全部样本加工后绘出曲线，不能反映先后顺,序，不能将变值系统误差从误差中区分开；,4,）不能及时提供工艺过程精度的信息，事后分析；,5,）计算复杂，只适合工艺过程稳定的场合。,点图分析法,计算简单，能及时提供主动控制信息，,可用于稳定过程、也可用于不稳定过程。,3.,工艺过程的点图分析,（,1,）逐点点图,依次测量每件尺寸记入横坐标为零件号纵为尺寸的图表中,（,2,）均值,-,极差点图,采用顺序小样本（,4,6,） ，由小样本均值点图和极差点,图组成，横坐标为小样本组序号。具体作法如下：, 定期测小样本尺寸；, 计算均值 和极差,R,：,R,=,x,max,-,x,min,确定中心线 和,R,小样本组,20,30,确定上下控制线,ES,、,EI,、,UCL,、,LCL,，,定期描点,x,x,均值点图上下控制线的确定：,极差点图上下控制线的确定：,均值点图反映了质量指标分布中心,(,系统误差,),的变化,极差点图反映了质量指标分布范围,(,随机误差,),的变化,（,3,）均值,-,极差点图分析,生产过程稳定的标志：, 没有点子超出控制线；, 大部分点在中线附近波动，小部分点在控制线附近；,点子无明显规律性,生产过程不稳定的标志：, 点子超出控制线或密集在控制线附近；, 连续点以上出现在中线一侧；, 明显规律性，如上升或下降倾向；, 点子有周期性波动,根据点子分布情况及时查找原因采取措施,1.,若极差,R,未超控制线，说明加工中瞬时尺寸分,布较稳定。,2.,若均值有点超出控制线，甚至超出公差界限，,说明存在某种占优势的系统误差，过程不稳定。,若点图缓慢上升，可能是系统热变形；若点图,缓慢下降，可能是刀具磨损。,3.,采取措施消除系统误差后，随机误差成主要因,素，分析其原因，控制尺寸分散范围。,四、提高加工精度的途径,1.,消除或减小原始误差,如加工细长轴时易产生弯曲和振动，增大主偏角减小,背向力，使用跟刀架或中心架增加工件刚度。但在进给,力作用下，会因“压杆失稳”而被压弯；在切削热的作用,下，工件会变长，也将产生变形。,采取措施：,采用反向进给的切削方法，使用弹性的,尾座顶尖。,2.,转移原始误差,如镗孔时镗杆与主轴采用浮动连接，使用镗模将机床,误差转移到新装置上加以控制；,转塔刀架的转位误差转移到误差不敏感方向,3.,误差分组法,4.,误差补偿法,如精密孔轴配合将公差扩大加工再测量分组装配；,上道工序误差太大，将工件分组再分别调整加工,利用原有误差或制造误差来抵消原始误差。如龙门铣,床因铣削头自重产生下凹变形，刮研横梁导轨使上凸；,加工曲轴时前后刀架同时切削，径向力方向相反；,精磨磨床床身导轨预加载荷，用配重代替工作时的部件,5.,就地加工,（自干自）,6.,自动测量补偿、恒温控制等,机床零件装到工作位置上再精加工，消除误差影响。,如牛头刨、龙门刨工作台面装配在自身机床上进行,“自刨自”精加工，以保证对滑枕、横梁的平行度；,平面磨床工作台面在装配后作“自磨自”精加工；,在机床上修正卡盘平面的平直度，卡爪的同轴度,